【摘要】从介绍在线监测的发展情况入手，简单介绍了在线监测的基本原理和实现方法，结合实际使用的典型设备(变压器、电容型设备、氧化锌避雷器、红外监测等)的在线监测应用实例，简要分析了各类设备在线监测技术存在的问题和取得的经验。指出要正确认识和推广应用在线检测装置，提高电力企业安全生产水平和经济效益。
【关键词】 电力设备 在线监测 应用 分析
随着科学技术的进步和电力企业的发展，电力设备状态检修的呼声越来越高，而状态检修的前提条件是必须全面掌握设备的运行状况，在线监测作为状态检测的重要手段，也越来越受到电力企业的重视。在线监测和状态检修的重要意义国内外已有诸多论述，这里不再重复，仅结合国内外在线监测开发和使用情况的有关报道，就在线监测的基本原理、实现方法和我公司在线监测应用实例，作一简要分析，借以指导在线监测的选型和生产。
1 发展情况
几十年来我国所沿用的定期进行预防性试验的方法与制度，经过高电压技术人员的不断改进，已为我国电力设备的安全运行发挥了重要作用。但随着我国电力设备额定电压的提高、单台容量的增大、结构品种的多样化，原有的主要依靠定期停电后进行绝缘预防性试验的方法已显得很不适应。不但试验时需要停电，更重要的是原有的停电后的试验内容及方法，不少已难以真实地反映出被试设备在运行条件下的绝缘状况。
近20年来，国内有不少单位开始研究及试用实现在线监测的方法，但苦于没有先进的检测技术及相应的仪器，以致难以实用化。近几年，随着状态检修概念的普及，电力设备在线监测技术迅速成为国内外高电压技术人员关注的研究热点，现代科学技术的发展突飞猛进，传感器、计算机技术、光纤及新的测量技术的迅速发展，为电力设备在线监测技术开拓了新的领域。近来，各类设备、各种类型的在线监测的应用实例，在网内层出不穷。各种在线监测技术及装置已先后研制出来，在全国各地已有不少电力部门开始试用和使用，有效地反映了设备的运行状况，而且有的已在运行中及时检测出设备缺陷，为开展状态检修提供了有力的帮助。
从在线监测的发展情况来看，我国从20世纪80年代开始出现各种专用的带电测试仪器，使在线监测技术从传统的模拟量测试走向数字化测量，摆脱将测试仪器直接接入测试回路中的传统测量模式，而代之以利用传感器将被测量转换成数字仪器可直接测量的电气信号。同时还出现一些其他通过非电量测量来反映设备状况的测试仪器，如远红外装置、超声装置等。从20世纪90年代开始出现了以数字波形采集和处理技术为核心的微机多功能在线监测系统。利用先进的传感器、计算机、数字波形采集和处理等高新技术，实现更多的绝缘参数(如介质损失角正切值tgδ、电容量、泄漏电流、局部放电、色谱等)在线监测。这种监测系统可以实时连续地巡回监测各被测量，监测内容丰富、信息量大、处理速度快，对监测结果可显示、存储、打印、远传及越限报警，实现绝缘监测的自动化，代表了当今在线监测的发展方向。
2 基本原理
在线监测技术的基本原理可简述如下：绝缘的劣化、缺陷的发展虽然具有统计性，发展的速度也有快慢，但大多具有一定的发展期，各种前期征兆表现为设备的电气、物理、化学等特性有少量渐进的变化，及时取得各种即使是很微弱的信息进行处理和综合分析后，根据起数值的大小及变化趋势，可对设备的可靠性随时作出判断和对剩余寿命作出预测，从而能及早发现潜伏的故障，必要时提供预警。在线监测技术的特点是可以对电力设备在运行状态下连续或随时进行监测与判断。
在线监测的一些基本流程如图所示：由各种传感器所采集的信号，经过必要的转换或处理后，送到数据处理系统进行分析，综合分析判断后输出结果：屏幕显示或打印，也可存盘，与上一级检测中心相连，形成多级监控系统SCADA中的一部分。诊断系统与在线监测一样越来越受到重视，网络技术的成熟与发展，使电力设备的远程诊断和网络化管理成为可能。如发现异常，根据不同的设计可以提示或报警，以便及时采取必要的措施，
为此，首先要研制出各种需用的传感器，以便从被监测的设备上获取信息，然后是要确保各种信息无畸变地送到数据处理系统去进行分析、存储。因为信息采集要在设备带有高电压下进行，要想准确地获得并传输这些相当微弱的信号，使之少受或不受干扰，就需要采用一系列的屏蔽抗干扰措施，例如有的采用光纤及电一光、光一电变换，即E／O—光纤—O／E系统。要准确地在设备接地侧获取电流信号，又不改变原有的一次接线，现多采用穿心式互感器(或称I／U传感器)，但此法难以保持一、二次之间电流的角差、比差很小且恒定。
由于电气设备种类繁多、结构各异，其在线监测的项目各有不同，而采集不同的信号需要不同的传感器。信号有电气参量，也有温度、压力、振动、超声等非电气参量，因此，必须利用电气、物理、化学、机械等多种有效手段对电力设备绝缘状况进行监测。
目前我国运行的电力设备在线监测装置大致可分为三大类：一是分散式在线监测系统，利用专用的测试仪器，从固定安装在电气设备附近的专用互感器上取得信号，就地进行测量，其优点是结构简单、配置方便、易于更新、价格较低、便于推广，缺点是不能连续监测，无法实现远程监测和集中管理，测试工作仍需人工操作，不能纳入综合自动化系统。二是集中式微机在线监测系统，采用当地计算机，扩展其外围接口电路，集中采集不同的绝缘模拟量，即通过大量的屏蔽电缆将较微弱的被测信号直接引入设在集中控制室的微机在线监测屏，进行集中监测，并迅速完成对监测数据的处理和分析。为减少电缆的用量，后期推出的监测系统有的已采用分区集中方式，按照变电站内设备的分布情况，将被测信号分为若干区域，分别进行汇集及信号选通，然后通过一根特殊设计的多芯屏蔽电缆把选通的模拟信号传送到主机，由主机进行循环监测及处理。其突出优点是可以对所有被测设备实施定时或巡回自动监测，运行方式灵活、易于扩展、监测容量大、便于建立专家诊断系统，实现综合自动化等。但不能解决模拟信号在长距离传输后所导致的失真问题，现场工作量大、维修困难。三是分层分布多CPU式在线监测系统，采用模块化设计和现场总线控制技术，由安装在变电站内的数据采集及处理系统和安装在远方的数据分析和诊断系统所共同组成，通过光纤或公共电话网络，把若干个变电站的监测数据汇集到位于职能管理部门的数据管理诊断系统，以实现对多个变电站内的电气设备状态实时在线监测。每一层完成不同的功能，由不同的设备或子系统组成，层次和功能清晰，利于模块化设计，现场维护和系统故障处理较为方便。一般。整个系统可分为四层，即就地、通信、主控和远方管理模块层，可应用于有人或无人值班变电站。其特点是采用数字传输技术，信号不
易失真，计算就地完成，减少了数据的传输量和主控模块的工作量。同时可实施就地监测，采用现场总线。传输数据的电缆仅用一根，且系统的开放性和扩展性好。但成本较高。
3 应用实例
3.1 变压器(电抗器)在线监测
3.1.1 变压器(电抗器)油色谱分析在线监测
电力变压器随着运行时间的推移，其绝缘油和有机绝缘材料在热和电的长期作用下会逐渐老化和分解，并产生少量的氢气、烃类气体(CH4、C2H2、C2H4、C24等)及一氧化碳和二氧化碳，这些气体大部分溶解在变压器油中。当变压器内部发生潜伏性过热或放电故障时。就会加速这些气体的产气速率。测量并分析溶解于油中的气体含量变化，就能尽早发现变压器内部的局部过热和电弧性故障，并可掌握变压器的运行状态和故障的严重程度及发展趋势，以防止和控制恶性事故的发生和发展。
目前应用较多变压器油色谱分析在线监测装置，基本原理都是反映变压器油中气体含量的变化，也就是反映产气速率，不能直接反映气体成份及其含量。装置直接安装在变压器本体上，不需要采集油样，工作原理是：变压器油中的溶解气体经可选择性的渗透膜进入电化学气体传感器内，在传感器内，油中析出的氢气(H2)、一氧化碳(CO)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)等气体与空气中的氧气(O2)进行化学反应，从而产生一个与反应量成正比的电信号，实时在线测量气体含量的变化，以此来反映变压器可能存在故障。由于此类装置具有结构简单、安装方便、可免维护和使用寿命长等特点，目前，在国内电力企业很快得到了推广和应用。
我国变压器油中溶解气体分析和判断导则(GB7252—87)中明确指出，变压器油监测不仅应考虑注意值。更要考虑产气速率。因为往往有些变压器在进行色谱分析时气体含量并没有达到注意值，但由于产气速率较快而暴露出故障。变压器油中气体含量的变化与产气速率是成正比的。变压器油色谱分析在线监测装置正是通过反映气体含量的变化来反映产气速率的，满足了导则的要求和现场实际需要，能对运行中逐步暴露出的绝缘缺陷或早期故障进行监测，在连续监测过程中获得非瞬间发生的故障先兆及发展趋势。但由于该技术尚不能直接反映气体成份及其含量，要对设备故障进行准确诊断，仍必须结合离线油色谱分析及电气试验等技术手段。
随着技术的进步，多组分变压器油色谱分析在线监测装置越来越成熟，其推广应用也在快速发展，该装置不仅能直接反映气体成份，而且可以反映气体含量，其实用价值正在被用户所接受。大型电力变压器的绝缘油中的气体组分(包括H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2)和含量与变压器内部故障的类型以及故障的严重程度有十分密切的关系。基于上述原因，人们一直把通过对溶于变压器油中的气体成分及含量的分析作为充油变压器的故障分析的主要手段之一。
为提高变电站运行管理水平，近年来国内外都在相继研究变压器油色谱在线监测的方法和装置，已先后推出在线监测多种气体的装置，其原理也各不相同。变压器油中多组分色谱分析在线监测，从原理上讲，主要有气相色谱法、红外光谱法、光声光谱法、阵列式气敏传感器法等四种方法。油中多组分气体色谱在线监测的关键技术主要有：在线式油气分离技术、组分分离技术、谱图处理技术、气体定量检测技术、环境适应技术。因其技术涉及面广，现场应用的要求又很苛刻，所以很多产品的精度和长期稳定性不好，且由于其后台系统的不稳定，一定程度上限制了它的推广应用。
油中溶解气体分析作为目前电力系统中对油浸电力设备常规使用的重要监测手段，因能够及时发现变压器内部存在的早期故障，在以往的运行维护中消除了不少事故隐患。据统计，我国电网中有50％以上的故障变压器是通过该试验结果检出的。由于这一检测技术能够在无须停电的情况下进行，不受外界电场和磁场因素的影响，因此可以定期在设备运行中对其内部绝缘状况进行诊断，确保设备的安全运行，有利于促进由定期维修方式向状态维修方式的过渡。
3.1.2 变压器(电抗器)局部放电在线监测
变压器在高压作用下，绝缘结构内部的气隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放电现象。这些放电现象伴随着各种能量的释放，它们同时以热、声、光、电磁波等形式表现出来。随着现代电子技术以及计算机技术的飞速发展，用来捕捉这些物理信号的传感器技术也得到了很快的改进，可以捕捉局部放电的超声波信号、脉冲电流信号、高频电磁波信号，然后根据各种局部放电的特征频谱进行辨别和确认。局部放电在线监测系统也是当今电力行业发展趋势，是状态检修的有效应用措施。
油浸电力变压器(电抗器)局部放电检测方法主要有脉冲电流法、油色谱法、超声波法、射频检测法等。脉冲电流法通常被用于变压器出厂时的型式试验以及其他离线测试中，其离线测量灵敏度高，但其抗干扰能力差，无法有效应用于现场的在线监测：色谱法是通过检测变压器油分解产生的各种气体的组成和浓度来确定故障(局放、过热等)状态，是比较有效的方法，但是这种方法时间周期较长，无法检测到两次检测期间发生的突发性故障；目前超声波法由于超声波法受电气干扰小以及可以在线测量和定位，因而国内外对超声波法的研究较深入；射频检测法需要从变压器中性点处获取电流信号。测量的信号频率要达到G赫兹数量级：超高频法应用传感器捕捉局部放电发生时产生的超高频信号，可以有效地避开现场各种干扰，应用也较多。
变压器局部放电在线监测技术的关键和难点是：现场抗干扰问题、高精度传感器问题、安全报警阀值设定问题、复杂的分析软件功能。非传统的检测法面临着一些问题，由于测量机理与脉冲电流法不同，因此无法进行视在放电量的标定，而目前大多数工程人员已经习惯于通过视在放电量来反映局放的严重程度，IEC规定有关局放的变压器产品出厂标准中，其指标也是通过局放量的阈值来规定的。目前的研究表明，即使在局放源到传感器之间的传播路径不变的情况下，脉冲电流法的视在局放量与非传统的检测法所测得的脉冲信号幅值之间也没有确定的对应关系，这就更加大了应用该方法进行局放定量的难度：此外，由于变压器内部绝缘结构的复杂性，局放产生的电磁波在内部的传播将存在大量的散射、折反射以及衰减，因而传播特性
研究和局放源定位工作将注定是难度很大而且充满挑战的。
对变压器局部放电在线监测，特别是趋势监测，是一个非常有意义的发展方向。而且这种趋势监测的观点也得到了世界高压设备局部放电科研专家的认可和赞同，所以将来的发展趋势必然是朝着如何更好地进行在线局部放电趋势监测做出更大的努力。但任何一种监测方法都有一定的应用范围，有些问题它可以解决。有一些则不能解决，局放的在线监测是个跨学科、综合性的研究领域，在线检测应是多种方法同时运用，互相取长补短，多种方法相结合，综合运行目前各种技术和知识，构建统一的、综合的在线监测平台，将是未来局放在线监测的发展方向。
3.2 电容型设备在线监测
电容型设备在线监测系统是目前应用最普及的在线监测系统之一。由于末屏接地电流非常微弱，均在毫安级，因此采样便成为关键。目前现场使用的信号采集方式有直接耦合和磁性耦合两种。
直接耦合方式可将试品电流转化为较高的电压(几十伏)输出，用模拟量传输，信噪比高，但要改变直接耦合试品的接地方式。一种方法是将试品的末屏接地断开，串接电容取电压，经信号调节回路将信号调到要求值。另一种方法是阻容回路串接在末屏接地回路中，选择阻容值保证输出电压约为几十伏。从安全角度看，直接耦合方式存在两个问题：一是这种方式一旦出现故障，可能导致一次设备末屏接地出现短路，危及设备安全。二是由于直接耦合，一、二次间没有隔离，如系统发生过电压，万一放电元件不能立即起作用，将对电子线路及计算机系统造成灾难性后果。
磁性耦合方式一般采用单匝穿芯传感器。分有源和无源两种类型，都不改变试品原来的接地方式，且与试品之间有磁隔离，故相对有更高的安全保证。无源电流传感器不需要加任何辅助电路，结构简单、维护方便、传感器自身性能稳定、价格低廉、使用寿命长。但电容型设备被测电流信号较弱，因此从单匝穿芯式电流传感器二次侧获得的输出电压信号也较小，通常仅几十毫伏。传输过程中极易受到外界噪声信号的干扰而失真，直接影响到整体测量结果的准确性。有源电流传感器是在其输出端加入有源运算放大器，将传感器二次端的输出电压信号放大后再进行传输。这样可有效地增加传感器系统的二次输出电压信号，提高被测信号的信噪比，降低外界干扰信号对测量结果的影响，使测试系统具有较高的稳定性。
值得注意的是传感器的安装以不改变现场设备的结构，特别是不影响现场设备的安全运行为前提。末屏断开与否，用户应权衡一次设备运行的安全性能否得到最充分的保证。变压器的铁心接地引下线也是如此。使用穿芯式传感器不改变一次设备的接线，值得提倡。而有源零磁通传感器的比差和角差小且稳定，则肯定要比无源的好。因目前国内大多数电容型设备在线监测系统都采用取电压互感器的二次侧电压作为基准电压与试品电流相比较，而电压互感器本身的角差是随机变化的。但用这种方法测得的电容值绝大多数很稳定，而在线监测tgδ值却往往仍有很大的波动。有时难以正确判断。其影响的因素是多方面的，包括传感器和电压互感器的角差、电源电压的波动和谐波、相间耦合和电磁干扰、气候环境影响等。解决这些问题是一个系统工程，需要综合考虑，尚不宜大范围推广。
3.3 避雷器在线检测
氧化锌避雷器在线监测是目前电力系统中应用最普遍的在线检测技术之一。因为氧化锌避雷器的保护性能比阀型避雷器优越的多，可显著降低被保护设备的绝缘水平，成本显著降低，而运行可靠性得到显著提高。因此，氧化锌避雷器在电力系统被迅速推广使用。目前采用的氧化锌避雷器大多数不再患有间隙，这样在运行期间总有电流流过氧化锌阀片，从而加速阀片劣化。而无串联间隙的避雷器如有故障，问题要比有串联间隙的避雷器严重的多。为此，氧化锌避雷器的在线监测工作一开始就得到了重视。
由于氧化锌阀片具有相当大的电容量，因而在运行电压下经过阀片的电流主要为电容电流。一般氧化锌阀片在正常运行下，只有约数十微安的微小电流通过电阻R(常称之为阻性电流分量IR)，而通过阀片电容C的电流Ic可在几百微安以上。可见在正常情况下阻性分量仅占全电流的5％～20％。当氧化锌阀片老化后，保护特性变坏，在运行电压的电流增大。基于这一特点，目前对氧化锌避雷器在线监测的主要方法即是监测其泄漏电流。
监测氧化锌避雷器泄漏电流的在线监测方法比较简单，只需把泄漏电流表串接在避雷器的接地引下线上即可。监测数据可通过电缆实现远传，实现远程监控。但要注意的是：应权衡一次设备运行的安全性能否得到最充分的保证，引下线的动、热稳定性要进行校验，连接要绝对可靠。为排除避雷器表面泄漏电流的干扰，要加装屏蔽环，以确保监测数据的准确性，避免发生误判。
3.4 红外监测
电力系统因设备热故障引起的事故，屡有发生，严重影响了安全生产，对设备造成很大损失，为防患于未然，人们希望有一种监测手段，能及时准确地诊断出设备热故障，及时合理地进行处理，从而避免因过热引发的灾难性事故。于是红外监测技术便应运而生。因其技术先进、操作简单、安全可靠等特点，被电力系统普遍采用，发挥着良好的作用。常用的红外监测设备有红外温度计、红外热电视、热成像仪等。
任何事物，不论是生物或非生物都因其自身的分子运动而不停地辐射红外能量，一般来讲，温度在绝对零度(－273℃)以上的任何物体，都可以发出红外辐射，其大小可用物体表面的温度来度量。也就是说，每一物体(如运行中的电气设备)的表面都有一定的温度分布场。
红外温度计是以光学元件组成的光学系统，会聚光学目标范围内的物体发射的辐射能量，成像在红外探测器(又称传感器，如薄膜热电堆)上。由于探测器前的滤光片的作用，使探测器上收到的是按预定红外波段(即工作波段或波段响应范围)的辐射能量。红外探测器将这种能量转换成电信号，经电子线路放大，再由计算机对各种数据采集和处理，在显示器上显示出被测物体的表面温度。因为导电接点分布在空间不同位置，尺寸小，无法采用“移近”而使测量距离缩短的方式，而且由于存在背景辐射的影响，仪表的示值不能如实反映物体的温度，因而，要求必须有足够大的距离系数。尽管价格便宜、使用方便，但只能定量测量，而且测量的范围和测量的准确性都有局限性。
红外热电视是现代红外技术与电视技术相结合的产物，是利用红外热成像技术来实现温度监测的仪器，它的工作原理可以简单描述为：热电视中心元件(敏感元件)为热释电摄像管，目标的红外辐射经红外镜头聚焦后成像于热释电摄像管的靶面上，热释电摄像管输出的信号经过处理后送到显示器屏幕上。主要特点以定性成像为主，显示视场范围内温度场变化，体积小，重量轻，携带方便，操作简单，直观形象，但抗干扰能力不强，也限制了它
的应用范围。
规格合适的热成像仪是电力红外诊断的理想仪器。热成像的定性成像和定量测量功能，较高的空间分辨率和温度分辨率，可直接诊断电力设备外部故障，并且通过热像分析，还可间接判断电力设备内部热故障。其特点是准确性较高，便于诊断故障，但价格较高，操作复杂，携带不便。
4 应用分析
近十几年来，我国各电力试验院、所和各基层发、供电单位均在积极探索行之有效的在线监测方法，从正反两方面积累了许多有益的经验，为在线监测技术的进一步发展提供了值得借鉴的帮助。但应该看到，由于有些开发单位已将不大成熟或不够完善的产品推向市场，给在线监测工作造成了非常被动的局面。根据中国电力科学研究院1998年对国内部分省、市电力部门已安装的57套集中型在线监测系统的调查结果，属于正常或比较正常的监测系统仅占30％。用户反映的问题主要集中在总体结构设计和产品质量方面，如：(1)介质损耗测量结果的稳定性和重复性较差，受现场环境温、湿度变化的影响较大；(2)信号采集部分的故障率较高。经常出现传感器失效、破损及信号失真问题；(3)监测系统的抗干扰能力较差，信号传输及处理部分经常发生故障，导致监测数据丢失或失真；(4)监测系统仅停留在提供监测数据的水平上，缺乏必要的分析判断功能，需要花费大量的人力、物力对监测系统进行管理。
因此，总结现有监测系统的运行经验，以模块化设计为基础。利用国内外先进的传感器设计、数字信号处理以及网络通讯技术，结合在线监测的特点和要求，研制开发一种配置灵活、测量准确、安装简便、安全可靠的新型监测系统，将积极推动电力设备状态检修工作的开展。
当然，任何有意义的技术手段都要达到一定的经济效益，在线监测也应如此。它的经济效益主要体现在避免事故、保证安全；还可减少停电、节省定期试验费用。并取得相应的经济效益，
设备的事故是一个小概率事件。用在线监测技术来防止事故的突发就意味着要在一定数量的设备上装设监测装置，其中大多数装置似乎是“没有用的”(没有发现故障和异常)，只有个别装置对故障先兆起了作用。对于那些定期试验能达到监测效果的并不一定要用在线监测设备：用了在线监测也不一定能保证不出事故。这应该作为评估在线监测实用性的前提。因此，在确定某种技术的可行性之前。一定要对其经济性作一分析，也就是对以下三个量之间的关系作适当的评估：在线监测的设备费用P，该费用包括监测设备全部投资及维持其正常运行所需的费用；被监测设备的故障率厂，它只是实际故障率的一部分，因为根据前面的分析，还有一部分故障不是在线监测所能发现的：故障造成的经济损失L。它包括设备本身的价值和修理费用，以及该设备损坏可能造成的间接损失，这与设备在电网中所处的地位很有关系。一个值得采用的在线监测装置应满足：P＜F1，式中f和L要取得确切数值是不现实的，但这个表达式的含义是明确的。在线监测的经济性要由“批量效果”来体现，即在一批设备上装设在线监测设备所花费的总费用应以个别事故提前检出而避免的经济损失得以补偿。仅在运行设备上安装几台在线监测装置去“守株待兔”，不论其多么准确也很难取得经济效益。
5 结论
电力设备在线监测是集高电压、测试、材料、计算机和通讯为一体的综合性科学技术。它也是变电站综合自动化技术中不可缺少的重要组成部分。随着电力事业的发展。在线监测设备(装置)层出不穷，为电力设备的安全运行已经发挥了并正在发挥着重要的作用，希望继续加大科技投入。开发出更多、更实用、更加符合现场实际的在线监测设备(装置)，以促进我国电力事业的进一步发展。随着对在线监测技术认识的提高和经验的积累，电力设备状态检修的普及。作为电力系统安全运行的行之有效的监测系统，必将发挥越来越重要的作用。
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